Suzan Bayhan ve Fatih Alagöz Uydu Ağları Yönlendirme Protokolleri: Sorunlar ve Önerilen Bazı Çözümler Suzan Bayhan ve Fatih Alagöz Boğaziçi Üniversitesi, Bilgisayar Müh. Uydu Ağları Araştırma Laboratuvarı (SATLAB) 1/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya İçerik Uydu Ağları Genel Bilgiler Yönlendirme Protokolleri Bazı Protokoller Sonuçlar 2/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Uydu Çeşitleri VAN ALLEN RADYASYON KUŞAKLARI Geostationary Earth Orbit (GEO) yaklaşık 36000 km YERDURAĞAN UYDULAR Uydular çeşitli özelliklere göre sınıflandırılabilirler; mesela: sağladıkları hizmetlere, uyduların yörünge şekillerine göre, yerden olan yüksekliklerine göre... En genel sınıflandırma: Dünya’dan olan uzaklıklarına göre.. Yere en yakın olan ve ALçak Yörünge Uydular diye adlandırılan LEO olarak adlandırdığımız uydular. Orta Yörünge Uydular diye adlandırılan MEO olarak adlandırdığımız uydular. Yerdurağan Uydular: GEO, Ekvator düzleminde konumlandırılan, yer ile eş dönme periyoduna sahip olan uydulara denir. Dünya’nın ve GEO uydunun Medium Earth Orbit (MEO) 5000-10000 km Orta Yörünge Uydu Low Earth Orbit (LEO) 200-3000 km Alçak Yörünge Uydu 3/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Yerdurağan Yörünge(GEO) LEO-MEO-GEO Alçak Yörünge (LEO) Orta Yörünge (MEO) Yerdurağan Yörünge(GEO) Yükseklik (km) 200 to 3000 5,000 to 15,000 36,000 Evrensel kapsama için gereken uydu sayısı > 32 10 -15 3 to 4 (70° N and 70° S) Ağ karmaşıklığı Karmaşık Orta Basit 1 yönde yayılım gecikmesi 5-20 ms 80-130 ms 250-280 ms Eldeğiştirme Sık sık Sık değil Hiçbir zaman Araçüstü işleme + Broadcast TV - 4/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Farklı Yörüngelerden Uydular LEO + MEO  NGEO Durağan olmayan uydular LEO + MEO + GEO Yüksek Platformlar High Altitude Platform (HAP) 17-22 km yükseklikte bulunan insanlı veya insansız hava araçları Yüksek, geçici trafik (savaş alanı, afet alanı, konser alanı) Kapsama alanı : 1000 km çapında alan 5/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Araç-üstü İşleme Araç-üstü İşleme On-board processing (OBP) Yenileyici Frekanslar arasında geçiş Uydular arası bağlar -Gökyüzünde Ağ -Yer sistemlerine daha az bağımlılık Kıvrık Boru (Bent-pipe) Saydam Gökyüzündeki tekrarlayıcı Frekans yükseltme Frekans çevrimi 6/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya İçerik Uydu Ağları Genel Bilgiler Yönlendirme Protokolleri Bazı Protokoller Sonuçlar 7/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

NGEO Yönlendirme Protokolleri AMAÇ: Sistem kaynaklarının etkin bir şekilde kullanılması, basit, implementasyonu kolay, az sinyalleşme yükü, az hafıza gereksinimi... PROBLEM: NON-GEOSTATIONARY SİSTEMLER (LEO + MEO) Dinamik Topoloji Düzgün olmayan trafik yükü dağılımı (uydular üzerinde eşit olmayan yük) Sıkışık yollar ÇÖZÜM: “Uydu Dostu” yönlendirme protokolleri Uyarlamalı (adaptive) Dinamik Trafik-sınıfı tabanlı 8/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Bazı Tanımlar Düzlem: Aynı yükseklikte bulunan yörüngelerden herbiri ISL (Intersatellite Link) : uydular arası iletişim bağı  Düzlemler arası  Düzlem içi 9/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya İçerik Uydu Ağları Genel Bilgiler Yönlendirme Protokolleri Bazı Protokoller Sonuçlar 10/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Dinamik Topoloji? Ne kadar dinamik? Belirli bir yörünge Belirli Hız (Pre-determined motion) PERİYODİK (T) 11/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Dinamik Sanal Topoloji Yönlendirmesi M. Werner, ”A Dynamic Routing Concept for ATM Based Satellite 　　　Personal Communication Networks ,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.15, no.8, pp.1636-1648, Oct.1997 Zaman aralıkları (T sistem periyodu) Bir zaman aralığında, topoloji sabit bir graf gibi modellenir. Kısa zaman aralıkları  Topoloji çok az değişiyor... En kısa yol, Dijkstra Shortest-Path (DSP) algoritması ile bulunur. 12/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Çok katmanlı mimari Uygulamaların türüne göre farklı uydu sistemi! Lee, J. and S. Kang, Satellite over Satellite Network: A Novel Architecture for Satellite Network", Proc. IEEE INFOCOM, pp. 315-320, May 2000. 13/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Örnek bir çok katlı mimari 14/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Örnek bir 2 katmanlı uydu sistemi LEO uydu MEO uydu 15/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Yük Dağılımının Dengelenmesi Amaç: Bazı uydular kullanılmazken diğerleri çok kullanılıyor ve sıkışmış olabilir. Bu gibi durumlara müdahele etmek. Sıkışıklık nedenli paket kaybını engellemek, sistem verimliliğini artırmak için tüm sistemdeki yük dağılımını dengelemek Fikir: Komşularla düzenli (periyodik) durum bilgilerini değişimi yapmak Tx Rx Sıkışıklık 16/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya ISL doluluk durumları C: Kapasite n: paket sayısı Bu bağın durumu Durum Tablosu BOŞ NEREDEYSE MEŞGUL MEŞGUL 17/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Açık Yük Dengelenmesi ELB (Explicit Load Balancing) Taleb T, Kato N, Nemoto Y. IP traffic load distribution in NGEO broadband satellite networks. Springer Lecture Notes in Computer Science(LNCS) 3733, October 2005; 113-123. Yüksek trafiğe sahip bir uydu, komşularına durum paketi yollayarak kendine akan trafiği, durumu boş olana kadar azaltmalarını talep eder. A B C D 1 C3 düğümünde sıkışıklık meydana gelir. C3 ün durumu MEŞGUL olarak değiştirilir. Rx3 2 Rx1 3 From now, I show the performance example of TDT. This topology is composed of 4 by 4　satellites equipped ISLs with four other satellites and all normal link cost is defined 1. There are connections over from A3 to D2, B3-C3 and C3-C1. Due to this, congestion occurs in C3 and state of it changes to Busy. Rx2 Tx2 Tx3 Tx1 4 : Meşgul Düğüm *Tüm bağların fiyatı eşit ve 1 dir. : Normal Düğüm 18/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Açık Yük Dengelenmesi (2) A3 : N-meşgul B2 : Boş B4 : N-meşgul C3 : Neighboring Status List (B3) Meşgul A B C D C3 durum paketlerini komşularına yollar. 1 Rx3 2 Komşu Uydular NSL durum listelerini günceller ３ ３ ３ Rx1 3 Meşgul olan düğümün fiyatı 3e yükseltilir. Then C3 sends SSA packets showing that a state became Busy to Neighboring Nodes (B3, C2, C4 and D3). Each neighboring Node updates a state of C3 as Busy. For example, NSL of B3 becomes like this. And, Busy link cost which is the cost of links going to C3 is increased to 3. ３ Rx2 Tx2 Txr3 TX1 4 : Normal Düğüm : Meşgul : Komşu Düğüm 19/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Açık Yük Dengelenmesi (3) A3 : N-meşgul B2 : Boş B4 : N-meşgul C3 : NSL (B3) Meşgul A B C D Tx1-Rx1 1 ・ Normal yol Total link cost = 4 →A3-B3-C3-D3-D2 Reciever3 Toplam fiyat 6 2 ・ Alternatif yol (B2 üzerinden) 3 3 3 Reciever1 3 →A3-B3-B2-C2-D2 Here, let’s consider about the traffic from Seneder1 to Reciever1. In this case, state of B2 is Free, so Node B3 sets a path through B2 as an alternate path. We pay attention to total link cost, in the case of normal path, A3-B3-C3-D3-D2 is 6. While, in the case of the alternate path, A3-B3-B2-C2-D2 is 4. Therefore, this traffic selects the latter path of a cost smaller, and it is transmitted. By the same calculation, others’ paths are unchanged. Toplam fiyat 4 Toplam bağ fiyatı = 6 3 Reciever2 Sender2 Sender3 Sender1 4 : Normal : Meşgul : Komşu 20/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Açık Yük Dengelenmesi (4) Durum paketleri  Ekstra trafik! Gerçek zamanlı uygulamalar!!! 21/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Trafik sınıfı tabanlı protokoller Arkaplan (Background) 3GPP Kesintisiz (Streaming) Konuşmalı (Conversational) Etkileşimli (Interactive) 4 çeşit trafik için belirlenmiş farklı hizmet kalitesi sınıfları bulunmaktadır: • Konuşmalı sınıf (ses, görüntülü telefon, görüntülü oyunlar) • Akan veri sınıfı (çoklu ortam, isteğe dayalı görüntü, internet yayıncılığı) • Etkileşimli sınıf (internet erişimi, şebeke üzerinde oyunlar, veri tabanı erişimi) • Arka plan sınıfı (e-posta, veri indirme) *Afşin Büyükbaş, “CDMA VE UMTS: ÜÇÜNCÜ NESİL MOBİL HABERLEŞME TEKNOLOJİLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI, TÜRKİYE ÖNERİSİ”, Telekomünikasyon Kurumu, Mayıs, 2005. 22/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

ARPQ: Adaptive Routing Protocol for QoS SERVİS KALİTESİ için UYARLAMALI YÖNLENDİRME PROTOKOLÜ S. Bayhan, G. Gür, F. Alagöz, “Adaptive Routing Protocol for Quality-of-Service”, Second International Workshop in Satellite and Space Communications (IWSSC), Madrid, Spain, 14-16 September 2006. Uydular trafik sınıfına göre paketleri sınıflandırıyor. Uydu, bir bağ üzerinden trafik yollama durumunu kendi kendine kontrol eder. (Extra durum paketi) Gerçek zamanlı trafik değil de gecikmeye duyarlı olmayan arka plan trafiği alternatif yollardan yönlendirilir. 23/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Bağ meşgul durumuna geçer!!! ARPQ (NSL) B3 A3 Boş B2 Boş B4 Boş C3 Meşgul LEO B3, C3 ile olan bağındaki sıkışıklığı fark eder. NSL listesini günceller. Arkaplan trafiğini alternatif yollardan gönderir. C D A B 1 Eva C3 Boş 2 Özgür 3 Alice Mary Bob George 4 Bağın durumu BOŞ olur !!! Bağ meşgul durumuna geçer!!! 24/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Benzetim Araçları OPNET www.opnet.com OPNET Lisansı Ticari modeller (Cisco, IBM, HP...) Proto-C (C, C++) FSM (Sonlu Otomat) Destek hattı NS -2 (http://www.isi.edu/nsnam/ns/) Açık kaynak kodlu C++ Ağ benzetim aracı: telsiz ağlar, protokoller (TCP/IP) vs. NS-3 çalışmaları NS-2 25/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Örnek bir OPNET modeli 26/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Örnek bir NS-2 benzetim modeli 27/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Sonuç Uydu ağlarının önemi Çok katmanlı mimariler Yeni yönlendirme protokolleri Yük dağılımını dengeleme 28/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Teşekkürler! Sorular bayhan@boun.edu.tr www.satlab.cmpe.boun.edu.tr 29/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Suzan Bayhan ve Fatih Alagöz Uydu Ağları Yönlendirme Protokolleri: Sorunlar ve Önerilen Bazı Çözümler Suzan Bayhan ve Fatih Alagöz Boğaziçi Üniversitesi, Bilgisayar Müh. Uydu Ağları Araştırma Laboratuvarı (SATLAB) 30/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Uydu Ağı Düzlemler arası bağlar Düzlem 31/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya THURAYA mainly focused on the Europe, Middle East, and Africa. The service operates a single geostationary communications satellite, one is for backup and a third satellite is planned for launch in Q1 2007. The launch of the Far East and Australia service is planned for 2007. The company is based in the United Arab Emirates and provides service through authorized service providers. Its shareholders are a mixture of Middle Eastern and North African telcos (in which Etisalat is a major one) and investment companies. Thuraya provides the following satellite-based services: - Voice communications with handheld terminals (Hughes and Ascom) and maritime or land-based fixed terminals - Short message service - 9.6 kbit/s Data & Fax service - 144 kbit/s high-speed data services via notebook-sized Hughes terminal (ThurayaDSL) - built-in GPS capability - a number of value-added services, such as news, call back, voicemail, WAP, etc. - Thuraya has a unique 'high power alert' system that notifies a user of an incoming call, when they are out of cellular coverage, and when the handset is not in two way contact with the satellite network. Subject to sufficient signal, this works when the handset antenna is retracted and, in some cases, when the handset is indoors. The current number of handheld subscribers is around 250,000 (March 2006). The subscriber growth has apparently slowed down during the last year, but Thuraya still made a net profit of US$80 million on revenues of US$323 million in 2005 (compared to just US$26 million profit in 2004). Thuraya handsets have a dual-mode feature that allows them to operate on the Thuraya satellite network and GSM 900 terrestrial mobile networks. The dual-mode feature of the handset is similar to the Telit (GSM/Satellite) and Qualcomm (CDMA/Satellite) handsets on the Globalstar system. Roaming agreements have been concluded with 201 GSM networks worldwide (Feb 2006). Some 360,000 Thuraya handsets have been put in service since launch in 2001. The second generation of Thuraya devices are becoming available. The satellite only SO-2510 was released in November 2006. It has a colour screen and is claimed to be the smallest and lightest satellite phone in the world. The SG-2520 has been delayed, but is expected in the first quarter of 2006. It will support Thuraya and GSM 900/1800/1900 networks and will run on Windows CE. It will be the first satellite phone with a built-in camera. Both second generation phones will support GPRS data at rates of around 60kbps when the network's service is made available. Thuraya are also releasing a "Thuraya Module", a small (70x50x20mm) unit designed for integration into other devices. This will provide USB and digital audio interfaces and be run on VxWorks. Previously, third-party hardware designers have relied on breaking a first-generation handset out of its case and integrating it into their hardware. The company gained worldwide prominence when it was reported that Abu Musab al-Zarqawi and members of his terrorist network used Thurayas, as they are harder to pinpoint the location of than regular cell phones.[1] The Register reports that the U.S. military has banned the use of Thuraya cell phones by its personnel, and by embedded journalists.[2] According to The Register the phones contain embedded global positioning system functionality, and the phones automatically encode their location in their signals. Thuraya's country code is +88216. 32/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Sanal Düğüm Yaklaşımı (Virtual Node- VN) R. Mauger, C. Rosenberg, “QoS guarantees for multimedia services on a TDMA-Based satellite networks,” IEEE Communications Magazine, vol.35, no.7, pp.56-65, July 1997 In the case of LEO satellite topology, the topology changes with time. While, in the case of virtual node topology, VN is fixed for ground and the topology is unchangeable. In virtual node protocol, a satellite corresponds to a VN in a time. Then, when satellites move, correspondence is moved in the next satellite which moved to the area. Therefore, routing about VN makes it possible to carry out routing without considering movement of satelltes. 　Sanal Düğüm topolojisi → ・ VN Dünya’ya göre sabit ・VN topolojisi sabit 　LEO uydu topolojisi →Zamanla topoloji değişiyor Yerine geçen uyduya bir önceki uydunun bilgileri aktarıldı. VN yaklaşımı uyduların hareketinden bağımsız bir şekilde yönlendirme yapmayı sağlar... Bir uydu VN (sanal düğüm)’e karşılık gelir. Uydular hareket ettikten sonra... 33/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

“Uydu üzerinde Uydu” Düğüm sayısına göre sınıflandırma. Yol üzerinde belirlenen uydulara mesaj yollanarak kaynak rezervasyonu yapılır. Lee, J. and S. Kang, “Satellite over Satellite Network: A Novel Architecture for Satellite Network", Proc. IEEE INFOCOM, pp. 315-320, May 2000. Tx Rx HQRP: Hiyerarşik QoS Yönlendirme Protokolü LEO ve MEO uydulardan oluşan iki katmanlı bir mimari Bir bağlantı için kaynak LEO gecikme sınırı Dsd olan bir yol belirler. tsd < Dsd Kaynak LEO paketi şu şekilde işaretler. if kaynak leo – hedef leo arasındaki düğüm sayısı< Sınır düğüm sayısı Kısa Yol Paketi ( Short Distance Dependent, SDD) LEO katmanından yolla else Uzun Yol Paketi (Long Distance Dependent, LDD) MEO katmanından yolla Hedef LEO Kaynak LEO Düğüm sayısına göre sınıflandırma. Yük dağılımı problemi!!! 34/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Karasal Sistemden Bağımsız Neden Uydular? Kolay Kurulum Herzaman Hizmet Karasal Sistemden Bağımsız Doğal Afet sonrası iletişim Simerik, asimetrik, darbant, genişbant hizmetleri Güvenilirlik 35/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007

Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Örnek Uydu Sistemleri TurkSAT 1C TurkSAT 2A TurkSAT 3A TURKSAT http://www.turksat.com.tr/v2/english/ IRIDIUM http://www.iridium.com/ 11x6 LEO uydu Ses iletişimi 48 LEO uydusu GLOBAL STAR http://www.globalstar.com.tr/tr/ 522-79-74 Çemberlitaş 520-18-50 522-24-24-Cağaloğlu GEO Avrupa, Orta Doğu, ve Afrika Ses iletişimi(Hughes and Ascom) Deniz ve karasal terminaller Kısa mesaj servisi THURAYA www.thuraya.com 36/29 Akademik Bilişim 2007, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak – 2 Şubat 2007